[发明专利]一种制备多孔镍基ODS合金的方法

说明书

 

技术领域

本发明属于多孔高温合金制备技术领域，特别提供了一种低温燃烧合成+选择性还原+放电等离子体烧结法制备多孔镍基氧化物弥散强化（Oxide Dispersion Strengthening, ODS）合金的方法。

背景技术

多孔镍基ODS合金是一种兼具功能和结构双重属性的功能结构材料，它具有一定的强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能，且密度小、孔隙率高、比表面积大。通过在镍基体中引入纳米氧化物增强相得到的多孔镍基ODS合金能够有效提高多孔材料骨架的高温力学性能，使其在高温条件下使用的催化剂载体、过滤器和热交换器等领域具有重要的应用潜力。多孔金属材料的制备方法主要有熔融金属发泡法、粉体发泡法、喷雾发泡法、松散粉末烧结法和中空球烧结法等，存在孔径大小和分布不均匀，以及孔隙结构不易控制等问题。传统机械合金化工艺制备的镍基ODS合金粉末的加工硬化严重、颗粒形状不规则、粒径不均匀，且镍基ODS合金的熔点高、烧结性差，难以制备出孔径均匀的多孔镍基ODS合金。因此，需要开发新的镍基ODS合金粉末制备和成形烧结工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备多孔镍基ODS合金的方法，旨在较低的温度下制备出具有较高强度和孔隙结构可控的多孔镍基ODS合金。多孔镍基ODS合金的孔隙率和孔径的可设计性强、高温强度高，适合高温条件下使用。

本发明首先采用低温燃烧合成法制备纳米混合氧化物粉末，接着将氧化物粉末在氢气中进行选择还原得到镍基ODS合金粉末，然后将得到的镍基ODS合金粉末通过放电等离子体烧结固结，从而得到最终的多孔镍基ODS合金。制备工艺如图1所示，具体工艺步骤有：

1、低温燃烧合成制备复合氧化物粉末：将Ni（NO₃）₂·6H₂O、Y（NO₃）₃·6H₂O、尿素（或者甘氨酸）和葡萄糖溶解于去离子水放置在烧杯中，然后将烧杯至于电炉上搅拌加热至冒出大量浓烟以后将电炉的加热停止，烧杯中的反应物将燃烧并继续放出大量气体，燃烧现象持续1~4min后，反应结束得到纳米NiO+Y₂O₃混合粉末如图2所示。由图可见，纳米混合氧化物粉末中有大量的孔隙，呈泡沫状（图2a），泡沫骨架中粉末颗粒的粒径为8-30nm，粉末的粒径均匀（图2b）。

所述的镍基ODS合金的成分为：Ni-xY₂O₃，其中x为2~20wt%，纳米NiO+Y₂O₃混合氧化物粉末比例由Ni（NO₃）₂·6H₂O和Y（NO₃）₃·6H₂O的比例确定。尿素和甘氨酸的作用为反应燃料，与原料硝酸盐中硝酸根的摩尔比F/NO₃^-在0.05~0.8之间，作用为提供-3价的N元素和硝酸盐中+5价的N发生剧烈的氧化还原反应，根据硝酸盐和尿素的比例反应过程中会生成N₂、CO₂、NO_、NO₂等气体，大量的气体生成可以防止生成粉末团聚，同时也可以让粉末具有多孔结构；葡萄糖的作用是络合反应体系中的金属离子、提供部分反应能量和加大气体产生量，与原料硝酸盐中硝酸根的摩尔比C₆H₁₂O₆：NO₃^-为0~1.5之间。

2、选择性还原：将得到的纳米NiO+Y₂O₃混合氧化物粉末在氢气气氛中还原，还原温度为300~900℃，还原时间为1~3小时，得到纳米镍基ODS粉末。

3、镍基ODS合金粉末的烧结：将纳米镍基ODS粉末通过压制或注射成形+脱脂预烧得到多孔坯体，再烧结得到多孔镍基ODS材料，烧结温度1000℃到1350℃，烧结时间1-3小时；或将镍基ODS合金粉末装入特殊设计的石墨模具（如图3所示），通过调节装粉量或模腔的体积可以改变粉末的堆积密度。经过放电等离子体烧结后获得不同得到目标孔隙率和强度的多孔镍基ODS合金。烧结温度为500~700℃，保温时间为3~5min。